CN111392014A - 飞碟形水下机器人用动力装置及飞碟形水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了飞碟形水下机器人用动力装置及飞碟形水下机器人，涉及机器人技术领域，解决了现有飞碟形水下机器人转向不灵活、运动效率不高的问题，该动力装置的泵推推进器与输送涵道连接，四组泵推动力系统围绕对称中心并沿周向依次排布设置，每组泵推动力系统包括两个安装有阀的水平喷射涵道，输送涵道连接水平喷射涵道的阀的排入端，每组泵推动力系统的两个水平喷射涵道关于动力装置的径向镜面对称设置且同组的水平喷射涵道的喷射口的指向相背且朝外；吸排水动力系统用于提供所述动力装置的浮潜运动。该飞碟形水下机器人搭载该动力装置，结构简单规整不会破坏整体造型，水阻较小，可绕中心回转灵活地切换方向，具有较高的运动效率。

Description

飞碟形水下机器人用动力装置及飞碟形水下机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体的说，是飞碟形水下机器人用动力装置及飞碟形水下机器人。

背景技术

目前现有水下机器人在水下需要进行上下左右前后6个方向的运动。螺旋桨作为一种传统水下推进装置，广泛装配水下机器人。传统螺旋桨结构复杂，通常而言是固定在某一固定方向，为实现多个方向运动一般需要6至8个，螺旋桨必须放置在水下机器人外侧或在水下机器人上建立涵道，从而破坏整体造型，对于水下机器人外形有割裂感，在强调平滑外形设计时会破坏整体外形。大多数水下机器人采用纺锤型或仿生鱼型，此类外形的水下机器人所装配的螺旋桨动力系统无法做到在转弯时原地旋转，存在有转弯半径，导致运动灵活度不高。对于圆盘外形的水下机器人而言，采用螺旋桨动力系统存在排布较困难的问题，且容易造成动力不均。

发明内容

本发明的目的在于设计出一种飞碟形水下机器人用动力装置及一种采用飞碟形水下机器人用动力装置的飞碟形水下机器人，可实现水下机器人的原地旋转，具有运动灵活度高、运动效率高的优点。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种飞碟形水下机器人用动力装置，包括泵推推进器、输送涵道、泵推动力系统和吸排水动力系统；

所述泵推推进器的输出端连接所述输送涵道的始端，所述泵推推进器用于将水泵入所述输送涵道；

所述泵推动力系统用于提供所述动力装置的平移运动和绕所述对称中心的回转运动，所述泵推动力系统具有四组，四组所述泵推动力系统围绕一对称中心并沿周向依次排布设置，每组所述泵推动力系统包括两个安装有阀的水平喷射涵道，所述输送涵道的末端连接安装于所述水平喷射涵道的所述阀的排入端，每组所述泵推动力系统的两个所述水平喷射涵道关于所述动力装置的径向镜面对称设置，所述泵推动力系统中的所述水平喷射涵道的喷射口指向所述动力装置外侧且同组的所述泵推动力系统中的两所述水平喷射涵道的喷射口的指向相背；

所述吸排水动力系统用于提供所述动力装置的浮潜运动，包括贮水仓和抽水设备，所述贮水仓具有一吸排水口，所述抽水设备与所述贮水仓装配以将水通过所述吸排水口吸入所述贮水仓或将水排出所述贮水仓。

采用上述设置结构时，四组泵推动力系统围绕一对称中心并沿周向依次排布设置，可将由泵推推进器泵入的水流引导至水平喷射涵道的喷射口处水平朝外喷出，可实现该动力装置的平移运动，每组泵推动力系统的两个水平喷射涵道关于动力装置的径向镜面对称设置，同组的泵推动力系统中的两水平喷射涵道的喷射口的指向相背，可实现该动力装置绕对称中心的回转运动，能够灵活地切换移动方向，且转向灵活，具有运动灵敏度高和运动效率高的效果。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：相邻所述泵推动力系统之间设置成90°夹角。

采用上述设置结构时，可更好地计算并控制该动力装置的路径，且结构更加规整，更适合飞碟形水下机器人搭载。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：每组泵推动力系统离所述对称中心的距离一致。

采用上述设置结构时，结构更加规整，更适合圆盘飞碟形水下机器人搭载。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述泵推推进器的数量为一个，所述泵推推进器和所述吸排水动力系统沿所述动力装置的中心轴向依次设置，所述吸排水动力系统的所述吸排水口连接所述泵推推进器的输出端。

采用上述设置结构时，泵推推进器和吸排水动力系统位于动力装置的中心轴向处并依次层叠设置，结合四组泵推动力系统的对称设置结构，可使质心尽量位于该动力装置的对称中心处，能够获得灵活稳定的运动姿态。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述泵推推进器的数量为至少两个，所有所述泵推推进器沿所述动力装置的中心轴向依次设置，所述吸排水动力系统的所述吸排水口连接最末端的所述泵推推进器的输出端；或者，一个所述泵推推进器通过所述输送涵道至少连接一个所述泵推动力系统，所有所述泵推推进器绕所述对称中心沿周向等夹角排布，所述吸排水动力系统设置于所述动力装置的所述对称中心处。

采用上述设置结构时，可在同时开启数个泵推动力系统时提供更大更稳定的喷射水流，所有的泵推推进器绕对称中心对称设置可使该动力装置的质心尽量位于对称中心处。泵推推进器不设置于对称中心处时可缩短输送涵道的长度，防止由于涵道水压较大导致损坏等情况。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述飞碟形水下机器人用动力装置还包括四组俯仰运动系统，每组所述泵推动力系统处设置一组所述俯仰运动系统，每组所述俯仰运动系统包括两个安装有阀的竖向喷射涵道，所述输送涵道的末端连接安装于所述竖向喷射涵道的所述阀的排入端；

所述竖向喷射涵道的喷射口的指向与所述动力装置的中心轴向平行，且每组所述俯仰运动系统的两个所述竖向喷射涵道的喷射口指向相背。

采用上述设置结构时，四组俯仰运动系统可控制安装该动力装置的水下机器人斜角移动。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述阀为电磁阀。

采用上述设置结构时，电磁阀具有切换快速的特点，能够使得该动力装置切换方向较为灵活。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述泵推推进器为安装螺旋桨的泵推电机。

采用上述设置结构时，泵推推进器通过螺旋桨的高速旋转将从输入端吸入的水迅速推出，经若干个喷射口喷出，在反作用力的作用下迫使搭载该动力装置的水下机器人沿某一方向运动。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述泵推电机为高KV值无刷直流电机。

采用上述设置结构时，可通过电调进一步控制泵推电机的转速从而控制喷射口的喷水量，以精确地调整搭载该动力装置的水下机器人的运动。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述吸排水动力系统的所述贮水仓和所述抽水设备为相配的活塞缸和电动活塞。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述飞碟形水下机器人用动力装置还包括控制系统，所述控制系统包括电子防水仓、主控芯片和与所述主控芯片连接的电机控制器、电磁阀开关电路和传感器，所述主控芯片设置于电子防水仓内，所述电机控制器连接所述泵推推进器和所述吸排水动力系统的电动活塞，所述电磁阀开关电路连接所述阀；所述传感器包括用于感知该动力装置俯仰角、倾斜角、下潜深度、角度和角加速度等姿态信息的传感器。

进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：所述主控芯片采用包括PID算法进行姿态微调。

本发明还提供了一种采用飞碟形水下机器人用动力装置的飞碟形水下机器人，包括蝶形的仓壳和上述的动力装置，所述动力装置整体安装于所述仓壳内，所述泵推推进器的输入端于所述仓壳的底部形成吸入孔，所有所述喷射口于所述仓壳形成喷射孔。

采用上述设置结构时，该飞碟形水下机器人可绕中心回转，灵活地切换方向，且结构较为简单规整，不会破坏整体造型，水阻较小，具有较高的运动效率。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明中，四组泵推动力系统围绕一对称中心并沿周向依次排布设置，可将由泵推推进器泵入的水流引导至水平喷射涵道的喷射口处水平朝外喷出，可实现该动力装置的平移运动，每组泵推动力系统的两个水平喷射涵道关于动力装置的径向镜面对称设置，同组的泵推动力系统中的两水平喷射涵道的喷射口的指向相背，可实现该动力装置绕对称中心的回转运动，能够灵活地切换移动方向，且转向灵活，具有运动灵敏度高和运动效率高的效果；搭载动力装置的飞碟形水下机器人可绕中心回转，灵活地切换方向，且结构较为简单规整，不会破坏整体造型，水阻较小，具有较高的运动效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是飞碟形水下机器人的内部透视结构示意图；

图2是控制系统的连接框图示意图；

图中标记为：

1、泵推推进器；2、输送涵道；3、泵推动力系统；31、水平喷射涵道；4、吸排水动力系统；5、俯仰运动系统；51、竖向喷射涵道；6、阀；7、仓壳；8、吸入孔；9、喷射孔；10、电子防水仓；11、主控芯片；12、电机控制器；13、电磁阀开关电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1：

飞碟形水下机器人用动力装置，可实现水下机器人的原地旋转，具有运动灵活度高、运动效率高的优点，如图1、图2所示，特别设置成下述结构：

包括泵推推进器1、输送涵道2、泵推动力系统3和吸排水动力系统4，泵推动力系统3用于提供动力装置的平移运动和绕其对称中心的回转运动，吸排水动力系统4用于提供动力装置的浮潜运动。本实施例中，泵推推进器1数量为一个，输送涵道2数量为四个，泵推动力系统3数量为四组，吸排水动力系统4数量为一组。

本实施例中的该动力装置以主要适用于圆盘状的飞碟形水下机器人的布置方式进行说明。

该动力装置的泵推推进器1设置于该动力装置的对称中心处，四个直线型的输送涵道2水平设置并绕该对称中心并沿周向等夹角排布设置，相邻输送涵道2的间的夹角成90°。因为是针对于圆盘状的飞碟形水下机器人，四个输送涵道2的长度一致，即可使与之连接的四组泵推动力系统3离对称中心的距离一致，如果需要适用椭圆盘状的飞碟形水下机器人，则可改变其中两个输送涵道2的长度。

泵推推进器1可以是水泵，但优选为安装螺旋桨的泵推电机，该泵推电机具有用于导水的涵道，泵推推进器1通过螺旋桨的高速旋转将从输入端吸入的水迅速推出并泵入输送涵道2，后经若干个喷射口喷出，在反作用力的作用下迫使搭载该动力装置的水下机器人沿某一方向运动；该泵推电机优选为高KV值的无刷直流电机，以可通过电调进一步控制泵推电机的转速从而控制喷射口的喷水量，以精确地调整搭载该动力装置的水下机器人的运动；泵推推进器1的输出端连接输送涵道2的始端。

四组泵推动力系统3围绕该对称中心并沿周向依次且等夹角排布设置，相邻两组泵推动力系统3之间的夹角成90°，使相邻两组泵推动力系统3与相对应连接的输送涵道2与另外两组成中心对称结构，这样可更好地计算并控制该动力装置的路径，且结构更加规整，更适合飞碟形水下机器人搭载，特别是圆盘状的飞碟形水下推进器。泵推动力系统3位于该动力装置的最外侧，一组泵推动力系统3对应连接一个输送涵道2。每组泵推动力系统3包括两个水平喷射涵道31和两个阀6，两个水平喷射涵道31水平设置，水平喷射涵道31的始端安装有阀6并与阀6的排出端连接，输送涵道2的末端连接安装于水平喷射涵道31的阀6的排入端。输送涵道2的轴向为该动力装置的径向方向，每组泵推动力系统3的两个水平喷射涵道31关于与之连接的输送涵道2的轴线镜面对称设置，泵推动力系统3中的水平喷射涵道31的喷射口指向动力装置外侧，同组的泵推动力系统3中的两水平喷射涵道31的喷射口的指向相背且同组的泵推动力系统3的喷射口的喷射指向与与对称中心之间成45°夹角。

吸排水动力系统4包括贮水仓和抽水设备，该贮水仓应具有一吸排水口，该抽水设备与贮水仓应可装配以将水通过吸排水口吸入贮水仓或将水排出贮水仓。本实施例中的吸排水动力系统4优选为活塞缸和活塞结构，吸排水动力系统4的贮水仓为具有一个吸排水口的活塞缸，抽水设备为与贮水仓相配的电动活塞。吸排水动力系统4整体设置于沿中轴线方向的泵推推进器1的上方位置，且吸排水动力系统4的贮水仓的吸排水口连接泵推推进器1的输出端，泵推推进器1和吸排水动力系统4位于动力装置的中心轴向处并依次层叠设置，结合四组泵推动力系统3的对称设置结构，可使质心尽量位于该动力装置的对称中心处，能够获得灵活稳定的运动姿态。

采用上述设置结构时，四组泵推动力系统3围绕一对称中心并沿周向依次排布设置，可将由泵推推进器1泵入的水流引导至水平喷射涵道31的喷射口处水平朝外喷出，可实现该动力装置的平移运动，每组泵推动力系统3的两个水平喷射涵道31关于动力装置的径向镜面对称设置，同组的泵推动力系统3中的两水平喷射涵道31的喷射口的指向相背，可实现该动力装置绕对称中心的回转运动，能够灵活地切换移动方向，且转向灵活，具有运动灵敏度高和运动效率高的效果。

实施例2：

本实施例中的泵推推进器1的数量为至少两个，比如四个，特别采用下述设置结构：

四个泵推推进器1可沿动力装置的中心轴向依次设置，组成四螺旋桨系统，吸排水动力系统4的吸排水口连接最末端的泵推推进器1的输出端。可在同时开启数个泵推动力系统3时提供更大更稳定的喷射水流，所有的泵推推进器1绕对称中心对称设置可使该动力装置的质心尽量位于对称中心处。

优选的，四个泵推推进器1分别对应一个泵推动力系统3，四个泵推推进器1并不设置在对称中心，而是绕对称中心并沿周向等夹角排布设置，相邻泵推推进器1的间的夹角成90°。一个泵推推进器1单独连接一个输送涵道2。如果是两个泵推推进器1，则一个泵推推进器1单独连接两个输送涵道2。泵推推进器1不设置于对称中心处时可缩短输送涵道2的长度，防止由于涵道水压较大导致损坏等情况。

实施例3：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，进一步的为更好的实现本发明，特别采用下述设置结构：

该动力装置还包括四组俯仰运动系统5，四组俯仰运动系统5绕对称中心并沿周向等夹角排布设置，相邻俯仰运动系统5的间的夹角成90°，这样，每组泵推动力系统3处便设置一组俯仰运动系统5。每组俯仰运动系统5包括两个竖向喷射涵道51和两个阀6，竖向喷射涵道51的始端连接阀6的排出端，输送涵道2的末端连接安装于竖向喷射涵道51的所阀6的排入端。竖向喷射涵道51的喷射口的指向与动力装置的中心轴向平行，且每组俯仰运动系统5的两个竖向喷射涵道51的喷射口指向相背，一个指向上方一个指向下方。四组俯仰运动系统5可控制安装该动力装置的水下机器人斜角移动，比如45°斜角移动。

该动力装置还包括一控制系统，该控制系统包括一电子防水仓10、一主控芯片11和与该主控芯片11连接的电机控制器12、电磁阀开关电路13和传感器。主控芯片11和主要电路板均设置于电子防水仓10内，电机控制器12连接泵推推进器1和吸排水动力系统4的电动活塞，电磁阀开关电路13连接阀6；传感器根据水下机器人所要达到的目的或实际需求可包括用于感知该动力装置俯仰角、倾斜角、下潜深度、角度和角加速度等姿态信息的传感器。主控芯片11负责接收运动指令及传感器数据，从而得知机器人的俯仰角、倾斜角、深度、角度、角加速度等姿态信息，并对各个动力系统下达指令。电机控制器主要负责控制泵推电机。主控芯片11采用包括PID算法进行姿态微调。

为了具有灵活的运动调整特性，该阀6优选为电磁阀，电磁阀作为喷射口的开关由主控芯片11通过电磁阀开关电路13控制势能电压，改变电压的压值从而切换电磁阀的开启或关闭状态。电磁阀具有切换快速的特点，能够使得该动力装置切换方向较为灵活。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上进一步了一种采用飞碟形水下机器人用动力装置的飞碟形水下机器人，可实现水下机器人的原地旋转，具有运动灵活度高、运动效率高的优点，特别采用下述设置结构：

该种飞碟形水下机器人，包括圆盘状的蝶形的仓壳7和实施例3中的动力装置，动力装置整体安装固定于仓壳7内，泵推推进器1的输入端于仓壳7的底部中心处形成吸入孔8，八个水平喷射涵道31和八个竖向喷射涵道51的喷射口于仓壳7形成喷射孔9。该飞碟形水下机器人采用微浮力设计，通过计算仓壳7内无水条件下整体的微浮力大小设计贮水仓体积，在无水条件下，整机能漂浮在水面上，在主控芯片11的控制下，电动活塞运动吸水，水由吸入孔8进入并经吸排水口注入贮水仓，整机重量增加，从而实现下潜并悬停在某一深度的目的。上浮时控制电动活塞将水由吸排水口推出贮水仓，降低整机重量，从而使整机上浮。下潜动作可利用吸排水动力系统4对贮水仓进行注水，从而破坏机器人的微浮力状态，造成设备机器人下潜，同样，利用吸排水动力系统排出贮水仓的排水，可增加机器人整体的微浮力，造成机器人上浮，同时，上浮下潜动作可由吸排水动力系统和俯仰运动系统二者同步实现。

在机器人运行过程中泵推动力系统与吸排水动力系统二者可同时运作，实现复杂运动。可绕中心回转，灵活地切换方向，且结构较为简单规整，不会破坏整体造型，水阻较小，具有较高的运动效率。

前后左右、回转等水平面的运动通过泵推动力系统与泵推推进器1的组合实现，浮潜运动通过吸排水动力系统实现，倾角变化通过俯仰运动系统5实现。改用螺旋桨泵水推进的方式可使各动力系统设置于仓壳7内，仓壳7上仅存在吸入孔8和喷射孔9以及线缆接口等开口，不必像螺旋桨推进结构必须放置在仓壳外侧或在仓壳上建立涵道，因此不会破坏整体圆盘造型，而更为光滑规整的圆盘造型能够带来整体水阻的减少，从而提高运动效率。相较于仓壳外设置螺旋桨推进结构而言，泵推动力系统3和俯仰运动系统5可依靠电磁阀对应不同喷射口实现不同方向上的做功，不必像螺旋桨推进结构需要设置更多，结构上更为简单，且切换方向较为灵活。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：包括泵推推进器(1)、输送涵道(2)、泵推动力系统(3)和吸排水动力系统(4)；

所述泵推推进器(1)的输出端连接所述输送涵道(2)的始端，所述泵推推进器(1)用于将水泵入所述输送涵道(2)；

所述泵推动力系统(3)具有四组，四组所述泵推动力系统(3)围绕一对称中心并沿周向依次排布设置，每组所述泵推动力系统(3)包括两个安装有阀(6)的水平喷射涵道(31)，所述输送涵道(2)的末端连接安装于所述水平喷射涵道(31)的所述阀(6)的排入端，每组所述泵推动力系统(3)的两个所述水平喷射涵道(31)关于所述动力装置的径向镜面对称设置，所述泵推动力系统(3)中的所述水平喷射涵道(31)的喷射口指向所述动力装置外侧且同组的所述泵推动力系统(3)中的两所述水平喷射涵道(31)的喷射口的指向相背；

所述吸排水动力系统(4)包括贮水仓和抽水设备，所述贮水仓具有一吸排水口，所述抽水设备与所述贮水仓装配以将水通过所述吸排水口吸入所述贮水仓或将水排出所述贮水仓。

2.根据权利要求1所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：相邻所述泵推动力系统(3)之间设置成90°夹角。

3.根据权利要求2所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：每组泵推动力系统(3)离所述对称中心的距离一致。

4.根据权利要求3所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：所述泵推推进器(1)的数量为一个，所述泵推推进器(1)和所述吸排水动力系统(4)沿所述动力装置的中心轴向依次设置，所述吸排水动力系统(4)的所述吸排水口连接所述泵推推进器(1)的输出端。

5.根据权利要求3所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：所述泵推推进器(1)的数量为至少两个，所有所述泵推推进器(1)沿所述动力装置的中心轴向依次设置，所述吸排水动力系统(4)的所述吸排水口连接最末端的所述泵推推进器(1)的输出端；或者，一个所述泵推推进器(1)通过所述输送涵道(2)至少连接一个所述泵推动力系统(3)，所有所述泵推推进器(1)绕所述对称中心沿周向等夹角排布，所述吸排水动力系统(4)设置于所述动力装置的所述对称中心处。

6.根据权利要求4或5所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：还包括四组俯仰运动系统(5)，每组所述泵推动力系统(3)处设置一组所述俯仰运动系统(5)，每组所述俯仰运动系统(5)包括两个安装有阀(6)的竖向喷射涵道(51)，所述输送涵道(2)的末端连接安装于所述竖向喷射涵道(51)的所述阀(6)的排入端；

所述竖向喷射涵道(51)的喷射口的指向与所述动力装置的中心轴向平行，且每组所述俯仰运动系统(5)的两个所述竖向喷射涵道(51)的喷射口指向相背。

7.根据权利要求6所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：所述阀(6)为电磁阀。

8.根据权利要求1所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：所述泵推推进器(1)为安装螺旋桨的泵推电机。

9.根据权利要求1所述的飞碟形水下机器人用动力装置，其特征在于：所述吸排水动力系统(4)的所述贮水仓和所述抽水设备为相配的活塞缸和电动活塞。

10.飞碟形水下机器人，其特征在于：包括蝶形的仓壳(7)和权利要求1-9任一项所述的动力装置，所述动力装置整体安装于所述仓壳(7)内，所述泵推推进器(1)的输入端于所述仓壳(7)的底部形成吸入孔(8)，所有所述喷射口于所述仓壳(7)形成喷射孔(9)。

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